1. Застосування гомогенізатори в молочній промисловості
2. Крім того, після гомогенізації:
3. Принцип дії
4. двоступенева гомогенізація
5. Роздільна технологія
6. Механізм процесу диспергування фази в апараті клапанного типу
7. Гомогенізатор для масла
8. ультразвукові гомогенізатори

Гомогенізатор цей пристрій для отримання гомогенних (однорідних) дисперсних систем. Системи можуть бути одно- або багатофазними, тобто в дисперсному середовищі, якої зазвичай є рідина, знаходяться частинки (зазвичай - нерозчинні) одного або декількох твердих або рідких речовин, які називаються дисперсними фазами. Термін «гомогенний» означає, що фази розподілені рівномірно, з однаковою концентрацією в будь-якому довільно взятому одиничному обсязі середовища. Отримана система повинна бути відносно стійкою. Для цього при гомогенізації, в переважній більшості випадків, проводять диспергування, тобто, подрібнення частинок фази.

Застосування гомогенізатори в молочній промисловості

Гомогенізатор для молока дробить жирові кульки. Швидкість, з якою вони спливають на поверхню, залежить від квадрата їх радіусу. Таким чином, після зменшення в 10 разів, швидкість падає в 100 разів. Завдяки цьому, продукт не відстоюється, не поділяється на вершки і обрат. Термін його зберігання значно зростає.

Крім того, після гомогенізації:

• При виготовленні маргарину або вершкового масла, в жировій середовищі рівномірно розподіляються вода та інші компоненти. А в майонези і салатних заправках - жири в водному середовищі.
• Вершки і пастеризоване молоко робляться однорідними за кольором, смаком і жирності.
• У згущених молочних консервів, під час тривалого зберігання, не виділяється жирова фаза.
• Кефір, сметана та інші кисломолочні продукти стабілізуються. Консистенція білкових згустків поліпшується. На поверхні не утворюється жирова пробка.
• У сухому цілісному молоці зменшується кількість не захищеного білковою оболонкою вільного жиру. За рахунок цього виключається його швидке окислення під впливом атмосферного повітря.
• У молока з какао або іншим наповнювачем поліпшується смак, воно стає більш в'язким. Знижується ймовірність випадання осаду.
• У відновлених кисломолочних напоїв, вершків і молока немає рідкого присмаку. Природний смак стає більш насиченим.

Фізичні методи процесу і основні типи гомогенізатори

• Продавлювання через вузьку щілину. Використовуються агрегати клапанного типу, з плунжерними насосами високого тиску. Такі пристрої в молочній промисловості - найпоширеніші.
• Механічне перемішування. Застосовуються міксери з ножами або лопаток віночками, в тому числі, високо спритні. Найпростіший приклад - кавомолка або м'ясорубка з електроприводом. Сюди ж можна віднести роторно-пульсацій апарати (РПА). Хоча в них дію на грудочки фази більш складне, воно не обмежується лише ударними і стирається навантаженнями.
• Вплив ультразвуком. Тут працюють УЗ-установки, що збуджують в дисперсному середовищі кавітацію, за рахунок якої фаза подрібнюється.

плунжерний гомогенізатор

Пристрій

Пристрій гомогенізатора показано на рис. 1. Плунжерний циліндр 1 з'єднується з вхідним патрубком через всмоктуючий клапан 3, а з камерою високого тиску - через нагнітальний клапан 4. Від камери йде канал до гомогенізуючої голівці 5, яка має сідло 6, клапан 7, пружину 8 і регулювальний гвинт 11. Для контролю тиску, до камери підключений манометр 10. Канал має відгалуження на запобіжний клапан 9. Плунжер приводиться в рух насосом 2.

В укрупненому вигляді гомогенизирующая головка показана на рис.2. У ній є калібрований отвір (канал) 1 в сідлі 5, пружина 2, клапан 4 зі стрижнем 3 і регулювальний гвинт 6. Сідло і клапан прітерти один до одного.

Клапан має плоску, конусну з невеликим кутом або тарілчасту форму робочої поверхні. У першому випадку, на ній можуть бути рифл (проточки). Якщо вони є, то на сідлі робляться такі ж. Це підвищує ступінь дроблення фази.

Зустрічаються моделі, в яких клапан і сідло розташовані в підшипниках, встановлених в нерухомому корпусі. У цьому випадку вони, під напором струменя продукту, обертаються в різні боки.

Оскільки проходить з великою швидкістю рідина досить сильно діє на клапан і сідло, то вони швидко зношуються. Тому зазначені елементи роблять з особливо міцних сталей. Крім того, їх форма симетрична. При помітному зносі, досить перевернути їх на іншу сторону, тим самим збільшивши термін служби в два рази.

Насос застосовується не обов'язково плунжерний, можна вибрати гвинтовий або роторний. Головне, щоб він створював високий тиск. Оскільки плунжерний механізм не забезпечує рівномірну подачу, то в гомогенізатори ставлять їх по кілька штук, з рознесенням початку циклів за часом. Найпопулярнішими є трехплунжерние агрегати. У них на валу коліна повернені на 120 град, щоб циліндри працювали по черзі. У цьому випадку коефіцієнт нерівномірності подачі, тобто, відношення її максимального значення до середнього, дорівнює 1,047.

Близький до одиниці показник означає, що потік, що йде через гомогенізуючу головку, з невеликою похибкою можна вважати стабільним. Таким чином, в процесі гомогенізації клапан знаходиться весь час в підвішеному (відкритому) положенні. Між ним і сідлом є щілина для проходу рідини. Розмір її теж можна приймати постійним, не враховуючи незначного відхилення від середнього рівня. У багатьох сучасних апаратів потік з кожного плунжера йде на «свою» головку. Після дроблення фази вони з'єднуються в вихідному колекторі.

Манометр обладнаний дросселирующим пристроєм. Це зменшує коливання стрілки приладу.

Принцип дії

Принцип роботи гомогенізатора наступний. Коли плунжер працює на всмоктування (на малюнку - рухається вліво), молоко надходить в циліндр 1 через клапан 3. Потім плунжер працює на нагнітання (переміщається вправо) і проштовхує продукт в камеру через клапан 4. Після цього рідина по каналу потрапляє з камери в гомогенізуючу головку 5.

Коли клапан знаходиться в неробочому положенні, пружина 8 щільно притискає його до сідла. Що поступає під тиском молоко піднімає клапан так, що між ним і сідлом утворюється невелика щілина. Проходячи через неї, жирові кульки подрібнюються, продукт гомогенізується, після чого йде в випускний патрубок.

Щілина зазвичай має розмір не більше 0,1 мм. Частинки молока рухаються в цій зоні зі швидкістю близько 200 м / с (в нагнетательной камері - всього 9 м / с). Розмір жирових грудочок зменшується з 3,5-4,0 мкм до 0,7-0,8 мкм.

Тиск, що створюється плунжерним насосом, дуже велика. Тому засмічення каналу в сідлі може привести до руйнування деталей. Щоб уникнути поломки, ставиться запобіжний клапан 9.

Регулюють агрегат гвинтом 11. Однією з основних характеристик гомогенізації є тиск. При затягуванні гвинта, пружина сильніше притискає клапан до сідла. Через це зменшується розмір щілини, так як зростає гідравлічний опір. Налаштування апарату проводять за показаннями манометра 10.

Згідно з інструкцією до гомогенізатор, температура молока повинна бути в межах від 50 до 65 град С. Якщо вона виявиться нижче цього діапазону, прискориться процес відстоювання жирових грудочок. Якщо вище - почнуть осідати сироваткові білки.

Підвищення кислотності продукту негативно впливає на ефективність процесу, так як в цьому випадку стабільність білків знижується. Утворюються агломерати, дроблення жирових грудочок ускладнюється.

У момент проходження рідини через клапанну щілину, через різке звуження поперечного перерізу каналу, спостерігається ефект дроселювання. Швидкість потоку багаторазово збільшується, а тиск падає через те, що потенційна енергія перетворюється в кінетичну.

двоступенева гомогенізація

Після проходження молока через головку, якась частина роздрібнених частинок знову злипається в більш великі конгломерати. Ефективність процесу падає. Для боротьби з цим явищем, використовують двоступеневу гомогенізацію. Пристрій показано на рис. 3. Принципова відмінність від одноступінчастої полягає в наявності двох пар робочих органів, першого ступеня 4 і другий - 12. У кожної є своя притискна пружина з регулюючим вентилем 6.

Другий ступінь, допоміжна, ще більше підвищує ступінь дроблення фази. Вона призначена для створення керованого і постійного противодавления в голівці першого ступеня, яка є основною. Це оптимізує умови процесу. А також для руйнування щодо нестійких утворень. Тиск в ній встановлюється менше, ніж в першій.

Одноступінчата гомогенізація призначена для продуктів з низьким вмістом жиру або високою в'язкістю. Двоступенева - при високому вмісті жиру або сухих речовин і малої в'язкості. А також в тих випадках, коли треба забезпечити максимально можливе дроблення фази.

Роздільна технологія

У молочній промисловості гомогенізація може бути повною або роздільним. У першому випадку все наявне сировину пропускають через агрегат. У другому, його спочатку сепарують. Отримані вершки 16-20% жирності гомогенизируют, після чого змішують з обратом. І відправляють на наступний етап переробки. Цей спосіб дає значну економію енергії.

Механізм процесу диспергування фази в апараті клапанного типу

За Н. В. Баранівському, на підставі вивчення гідравлічних факторів, що впливають на дроблення жирових грудочок при гомогенізації молока на апараті клапанного типу, запропонована наступна схема процесу (рис. 4).

У точці переходу потоку з каналу сідла в щілину, між сідлом і клапаном різко знижується площа перетину потоку. А значить, відповідно до одного з основних законів гідравліки, також швидко зростає швидкість його руху U. Якщо конкретніше, то U0 на підході становить кілька метрів в секунду. А U1 на вході в щілину - на 2 порядки вище, кілька сотень м / с.

Жирова крапля не переходить із зони малих в зону великих швидкостей одномоментно «вся відразу». У потік, що рухається в щілини з величезною швидкістю, входить спочатку передня частина кульки. Під дією швидко поточної рідини, вона витягується (задня частина - все ще рухається повільно) і відривається. Що залишився клубок продовжує неквапливо (зрозуміло, поняття «неквапливо» в даному випадку відносне, так як весь цикл проходження краплі крізь щілину займає 50 мікросекунд) просуватися до кордону розділу швидкостей, і частина, тепер опинилася передній, витягується так само, як і попередня, і теж відривається. Таким чином, вся жирова крапля поступово розривається на шматочки, проходячи через прикордонний розтин. Це відбувається при досить великій різниці швидкостей U0 і U1.

Якщо зазначена різниця виявиться меншою від визначеного порога, то, перед відривом частинок, має місце проміжний етап - крапля спочатку розтягується в шнур. Якщо різниця буде ще менше, то жировий грудочку пройде через кордон розділу швидкостей без руйнування. Але вплив великій швидкості потоку все одно приведе його в нестійкий стан, внаслідок утворення внутрішніх деформацій. Тому, через сил поверхневого натягу і механічних ударів струменів потоку, кулька все одно розпадеться на більш дрібні фракції.

Гомогенізатор для масла

Для отримання однорідної консистенції вершкового масла або плавлених сирів, використовують гомогенізатор пластифікатор. В процесі обробки, водна фаза диспергується і рівномірно розподіляється по всьому об'єму. У підсумку, продукт довше зберігається, його смакові якості поліпшуються. Крім того, скорочуються витрати часу на розморожування, при упаковці знижуються втрати води.

Пристрій апарату можна розглянути на прикладі однієї з найбільш популярних моделей М6-ОДА (рис. 5). Він складається з корпусу і станини (рис. 6), приймального бункера, під яким розташовані подають шнеки, і ротора з 12-ю, 16-ю або 24-ма лопатями. В якості приводу використовується електродвигун. Частота обертання шнеків регулюється варіатором. Кутова швидкість ротора - постійна.

Робота гомогенізатора виглядає наступним чином. Вершкове масло великими шматками кладеться в бункер. Шнеки обертаються в різних напрямках, якщо дивитися зверху - один назустріч іншому. З їх допомогою масло продавлюється через ротор, після чого, через насадку прямокутного перетину, виходить в приймальний бункер (на малюнку не показаний). Щоб масло не налипав на робочі органи, їх змащують гарячим раствором.Роторно-пульсаційний апарат

Останнім часом для обробки молока все частіше використовують роторно-пульсацій апарати (РПА). Такий гомогенізатор по конструкції і принципу дії схожий на відцентровий насос. Головна відмінність - в робочих органах.

РПА влаштований таким чином. В якості приводу служить електродвигун. На його подовженому валу жорстко закріплений ротор у вигляді перфорованого циліндра. З торця циліндра, з боку кришки, може стояти крильчатка. Перфорація на ній не обов'язкова. Усередині кришки є аналогічний циліндр, нерухомий, він грає роль статора.

Молоко подається через осьовий патрубок на кришці і потрапляє на крильчатку. Ця деталь виробляє первинне дроблення фази і надає робочої суміші прискорення. Остання потім проходить крізь перфорацію рухомого циліндра, знову частково диспергується, під дією зрізують і истирающих навантажень, і виявляється в гомогенізуючої порожнини між ротором і статором. Тут, крім ударних, на жирові кульки діють ще й інші сили.

У турбулентному потоці, що рухається з великою швидкістю (саме такий спостерігається в робочій зоні РПА), виникають мікровіхревие течії. Якщо невеликий сферичний вир стикається з краплею жиру, він її руйнує. Також має місце гідроакустичні вплив. Інтенсивна кавітація, яка веде до хляпанню бульбашок повітря, породжує ударні хвилі, проти яких грудочки фази теж не можуть встояти.

Максимальний вплив апарату на частки досягається в той момент, коли між ротором і статором виникають резонансні коливання. Щоб забезпечити даний ефект, треба розрахувати діаметр рухомого циліндра, швидкість його обертання, а також зазор між ним і статором.

Після робочої зони молоко проходить крізь отвори статора і, вже гомогенізоване, виводиться через тангенціальний випускний патрубок, спрямований зазвичай вгору, щоб простіше було підключати трубопроводи для повторного завантаження бункера в рециркуляционной системі.

Для підвищення ступеня дроблення, в апараті може бути кілька пар «ротор-статор». Після установки кришки, вони розташовуються по черзі. Є моделі, в яких, замість крильчатки, ставиться перфорований диск. Гомогенізатори РПА також можуть бути зануреними. Опціонально агрегат комплектується наступними пристосуваннями:

• Захист від сухого пуску.
• Вибухозахищений двигун.
• Корпус з сорочкою нагріву / охолодження.
• Регулятор плавного зміни частоти обертання двигуна.
• Завантажувальний пристрій (шнековий живильник), для в'язких, погано розчинних, неоднорідних емульсій і суспензій або сипучих компонентів.
• Розвантажувальний вузол, для зливу в сторонню ємність при роботі по циркуляційної схемою.
• Торцеве сильфонні ущільнення вала з карбідо-кремнієвої кераміки - збільшує термін служби агрегату, навіть при роботі з рідинами агресивними або містять абразивні включення.

РПА бувають одно- або трифазні. Всі деталі, що вступають в контакт з продуктами харчування, зроблені з харчової нержавіючої сталі AISI 304, AISI 316 або їх вітчизняних аналогів. Оскільки диспергована рідина виходить з апарату під тиском, то гомогенізатор РПА одночасно працює як відцентровий насос.

ультразвукові гомогенізатори

Пристрій (на прикладі BANDELIN). УЗ гомогенізатор складається з (на рис. 15 - зверху вниз) ВЧ-генератора, УЗ-перетворювача, «рогів» і зондів (хвилеводів). ВЧ-генератор включають в побутову мережу з струмом частотою 50 або 60 Гц. Він підсилює цей параметр до 20 кГц. УЗ-перетворювач, обладнаний осциллирующей схемою з вимірювальним п'єзоелектричним елементом, трансформує виробляється генератором енергію струму в коливання УЗ хвиль тієї ж частоти. Генерируемая амплітуда залишається незмінною. Ультразвукова - збільшується, за рахунок використання «рогів» спеціальної форми. У них вставляються зонди, передають коливання в посудину з рідиною. Залежно від обсягу робочої середовища, вони можуть бути плоскими, у вигляді конусів або «мікро», діаметром від 2 до 25 мм.

Вітчизняна промисловість також випускає УЗ гомогенізатори. З останніх моделей можна відзначити розробку 2015 року І100-6 / 840 (рис. 16). Апарат має цифрове управління, імпульсний режим, контроль амплітуди і набір зондів.

Принцип дії. Коли УЗ хвилі проходять через рідину, вони поперемінно, 20 000 раз в секунду, створюють в ній, то висока, то низький тиск. Останнє практично дорівнює внутрішньому тиску парів рідини, в результаті чого в ній з'являються бульбашки, наповнені паром, рідина закипає. Коли порожнечі схлопиваются, виникає перепад тисків, утворюються швидкоплинні турбулентні мікропотоки, що руйнують жирові краплі.

Деякі фахівці вважають, що, при УЗ дії, грудочки диспергируют немає від кавітації, а через те, що хвиля, проходячи через жирову краплю в різних точках, викликає різні за величиною і напрямком прискорення. В результаті виникають різноспрямовані сили, які намагаються розірвати кульку.

Гомогенізація - важливий етап процесу переробки молока та інших продуктів. З її допомогою поліпшується структура і збільшується термін зберігання, а смакові якості стають більш насиченими.